室溫下的固態邁射

• Colwellia psychrerythraea 
• 冷紅科爾韋氏菌
• 形狀：小桿狀
• 顏色：淺紅色
• 長：2.5 至 3.5 微米
• 直徑：0.5 微米
• 前進：使用鞭毛

攝氏 –196 度的世界

據當今研究結果所知，在生命出現的早期，地球上炎熱期與冰凍期交互出現，前者平均溫度可達攝氏五十度，後者溫度可低至地表完全凍結。火山爆發及隕石和小行星的撞擊，使地球溫度升高，經由化學反應及後來出現的生物反應消耗大氣層中的二氧化碳，又使地表變冷凍結。

對大多數的生物來說，今日地球是個既濕又冷的家。地表面積超過百分之七十全是海洋，其中三分之二又是寒冷的深海帶，終年溫度只有攝氏二至三度。地表上所有水域裡，淡水僅占百分之二點五，溫度卻也沒有太大差別：百分之九十的淡水，都儲存在極地冰塊及散布地球各處的冰河裡。

自人類開始定時測量並記錄溫度後，最低溫的紀錄是在南極測得的攝氏零下八十九點二度，不過那裡的溫度也從未上升到比結冰點還高。比較重要的是，有些地方雖有溫暖期，但在夜間或冬天會變得異常寒冷，像亞洲一些地方最高溫可達攝氏四十九度，但低溫時也會降到零下五十度。因此不難想像，為何這麼多的細菌都具有高溫差環境的適應力。

所有在低溫環境仍然活躍的細菌中，冷紅科爾韋氏菌特別引人注目：這種微生物在攝氏零下十度還可四處遊走，在攝氏零下二十度還能繼續生長分裂繁殖。甚至在攝氏零下一百九十六度超低溫環境，研究人員還可觀察到其新陳代謝的運作。

冷紅科爾韋氏菌能在液態氮（這可是能將花朵瞬間凍成易碎玻璃的物質）中將胺基酸吸收並用來組成自己的細胞。此特性要歸功於它的保暖聚合物及在細胞外作用的酵素，讓它被包覆在網狀的分子結構裡，就像穿了一件毛衣，保護其免於水分形成整齊的冰晶結構。耐寒細菌的細胞壁結構類似液晶，在極冷和高壓下仍然可以保持液態，這也解釋了為何它同時也耐高壓。

掌握低溫生物技術

科爾韋氏菌屬發現於一九八八年，發表研究結果的作者建議以美國微生物學家麗塔．科爾韋（Rita Colwell）之名來命名，以示敬意。科爾韋生於一九三四年，在一九六○年代發現沿海水域有霍亂弧菌，而且常寄生在以藻類為食的浮游性橈腳類^[1]動物上。

在氣候溫暖或養分過剩導致藻類大量繁殖時，就會吸引這些細小的甲殼類動物前來，細菌也就隨之而來。科爾韋發現這項事實後，立即成立安全用水供應網，設法以盡可能簡單的工具，例如自造的過濾器，防止因飲用水造成的傳播感染。

此後，她還與其他伙伴一起創立 CosmosID 公司，以期快速檢驗出環境樣本中的細菌。為了向她致敬，南極一座山塊^[2]就以她的名字命名。冷紅科爾韋氏菌的種小名 psychrerythraea，則由希臘文 psychros（冷）及拉丁文 erythraeus（紅色）組成，因這個細菌嗜寒並含有紅色色素。

冷紅科爾韋氏菌也可以在無氧的環境中存活，還可利用各種結構簡單或結構複雜的有機化合物做為養分。由於這種細菌能分解很多種含氮化合物，甚至還能利用硫來產能，因此相當適合利用它在寒冷地區處理環境污染問題。

除此之外，此種細菌也可能促進新疫苗的發明。科學家將病原菌重要的代謝基因替換成冷紅科爾韋氏菌的代謝基因，得到以下結果：病原菌在低溫下正常生長，但在常溫時停止生長，細胞逐漸死亡。這種弱化後的病原菌可用在活體疫苗，使身體在不受危害的狀況下產生足夠的免疫力。此法已在動物實驗中證實可行。

註解

• [1] Copepoda，橈腳類或譯橈足類，海洋中數量眾多的一群甲殼動物。
• [2] massif，又稱地塊，地質學中的一個結構單元，比構造板塊要小。

——本文摘自《細菌群像：50種微小又頑強，帶領人類探索生命奧祕，推動科學前進的迷人生物》，2023 年 ３ 月，麥田出版，未經同意請勿轉載。

• 作者 / 醫藥新知
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12 月份氣溫驟降，過敏一族在這時候精神特別緊繃，特別是「寒冷性蕁麻疹」患者更容易因為未注意保暖，導致蕁麻疹發作。

其中「寒冷性蕁麻疹」屬於物理性慢性蕁麻疹，此類蕁麻疹患者通常對「低溫」敏感，只要稍微接觸如雪、冰水、冷空氣亦或是短時間內室內至室外溫度急速下降，即會產生風疹塊，導致全身紅腫、灼熱、發癢，嚴重時喉嚨和舌頭腫脹會影響呼吸，甚至少部分患者可能會引起全身性過敏反應而暈倒、心跳加速、血壓降低，皆會有危及生命的可能。

 曾有位罹患「寒冷性蕁麻疹」男童，在學校上游泳課時因水溫較低，才剛跳進水中便馬上引發蕁痲疹，導致全身上下都佈滿紅色膨疹，隨後連呼吸道也跟著腫起來，幸好迅速就醫，症狀才穩定下來。

卓玉麗皮膚專科診所院長卓玉麗醫師建議「寒冷性蕁麻疹」患者除了需定時服藥，最好在知道會遇到冷因子一至兩小時前先服用抗組織胺藥物，同時也做好保暖、避免室內外溫差，冰水、冰冷食物等也需忌口，特別是冬季追雪活動盛行，也建議「寒冷性蕁麻疹」患者應避免前往。

 卓玉麗醫師表示目前蕁痲疹的治療以「新型第二代抗組織胺」為主，過往傳統的第一代抗組織胺藥物，雖可有效止癢、並阻止微血管擴張，但時常會造成口乾舌燥、嗜睡、頭昏無力等狀況，少部分患者甚至會出現視力模糊等副作用，雖為短效型藥物但其副作用在少數患者體內可能會持續很長時間，嚴重影響患者日常生活，使服藥順從性降低導致無法有效改善症狀。

以卓玉麗醫師的門診經驗來看，「新型第二代抗組織胺」其副作用發生機率大約只有百分之一，不僅有效改善因為第一代藥物引起的嗜睡、疲倦、注意力不集中等問題，更重要的是對於肝腎功能不佳的患者也不需減少劑量，為目前安全性高的藥物，且藥效在 1 小時內便能夠達到治療效果，並可持續 24 小時，減少患者的服藥次數，事半功倍。

根據臺灣皮膚科醫學會新版診治共識指示，如一般藥物治療仍無法讓病人症狀得到控制，即可將抗組織胺藥物最高調至四倍用量，若調高藥物劑量二至四週後仍然無法改善症狀，即可考慮使用生物製劑或免疫調節劑進行治療。卓玉麗醫師提及現今的治療流程簡明扼要，且因新一代藥物的發現及投入市場，使得蕁麻疹的控制更為有效。

除了配合醫師處方外，也提醒寒冷性蕁麻疹的患者千萬不要只在有症狀時才服藥，不僅無法控制症狀還會使先前的治療前功盡棄，必須將蕁麻疹看成是慢性病一樣治療，有耐心、信心配合醫囑長期服藥，方可穩定控制。

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超導體的神奇性質，一向只有在零下數十或數百度才會現身。就在今年十月，科學家首次在攝氏 15 度的環境下觀察到超導現象，打破了先前的紀錄（零下 23℃）。在尋求室溫超導的世紀大業中，寫下新的篇章。

超導體是什麼？

一般金屬導體（例如銅、銀）的電阻會隨著溫度下降而變小，不過即使在接近絕對零度時，還是會存在一點點的電阻。人們在 1911 年時發現，有些特定的材料被冷卻到一個程度後電阻會驟降為零，也就是超導現象。這時就算不提供任何電壓，超導體也能穩定的維持電流流動，流到天荒地老。實驗上，超導體已經成功讓電流跑了25年，並持續增加中。

除了零電阻之外，超導體的另一項特異功能是完美的抗磁性。一般來說，磁力的影響可以穿透物質，所以磁鐵才能將海報黏在黑板上。不過超導體會將所有意圖通過的磁力線拒於門外，磁力線被迫繞過超導體，使其內部磁通量等於零，此為所謂的邁斯納效應（Meissner Effect）。如果將一小塊磁鐵放在超導體上方，便可以看到它因為排斥的磁力懸浮在空中。

怎麼還沒應用在生活中？

超導體的這些夢幻性質能夠全面革新世界的樣貌，從磁浮技術，資料傳輸，到零耗損電力網，都將不再是夢想。然而從 1911 年到現在，這些科幻片中的場景仍未實現，因為超導性質只有在材料低於特定的臨界溫度才會出現，而在實驗上，這個臨界溫度通常約零下兩百多度。

要將材料保存在如此低溫的環境可是所費不貲，任何的大型產業應用也因此難以實現，因此，研究能在較高溫度，甚至在常溫下具備超導特性的材料，就顯得格外重要。

尚未理解的高溫超導機制

過往的超導體理論，是透過原子晶格與電子間的交互作用來解釋超導體的存在，在這種解釋下，物質只會在接近絕對零度、原子的熱擾動極小時，產生超導現象。這種理論只能解釋傳統低溫超導體的機制，對於臨界溫度較高的高溫超導體，雖然可以在實驗上觀察到，但至今仍沒有一個公認的理論模型可以解釋。因此，關於高溫超導的實驗與理論，便成為目前科學界努力尋求的大秘寶。

根據一些初步的模型預測，氫分子或許是個潛力股。不過一般的氣態氫是絕緣體，而金屬氫需要極大的壓力才能合成。因此近期常見的嘗試方向是富含氫原子的金屬物質，例如在 2015 年創下臨界溫度紀錄的硫化氫（-70℃），以及將這個紀錄打破的十氫化鑭（-23℃）。

超導特性出現在常溫 15℃！

羅切斯特大學的實驗團隊在今年利用碳、氫和硫元素，合成出含有碳質的硫化氫（carbonaceous sulphur hydride），並觀察它的超導特性。一塊小小的樣本被鑽石壓砧夾住，並施予 270 GPa 的壓力。在這樣的條件下，超導體特有的零電阻與抗磁性在驚人的 15℃ 便突然現身。

當然，這樣的實驗成果距離實際的日常應用還有一段距離。碳質氫化硫樣本只有幾微米大，而鑽石壓砧所施加的壓力也只比地核內部壓力少一點。研究團隊接下來計畫持續調整樣本的化學配方，只要配方對了，他們相信正常壓力下的室溫超導體應該指日可待。

參考資料

• Room-temperature superconductivity in a carbonaceous sulfur hydride

一如今日 Nature 期刊中的報導，科學家目前展示一種能在室溫下運作的固態「邁射（MASER）」，為其廣泛應用鋪路。

邁射代表 Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation（微波受激發射放大）。基於這種過程（也是同樣的縮寫，下文用原文來表示）的裝置在五十多年前由科學家開發出來，比雷射的發明還更早。並非像雷射那樣創造出強烈的光束，相反的，邁射傳送集中的微波束。

傳統邁射技術利用堅硬的無機晶體，例如紅寶石，來放大微波，此過程稱為「masing」。然而，相較於雷射，邁射的技術性衝擊較小，因為要使其運作的極端條件難以產生；不是超低壓（由特殊真空腔與幫浦所提供），就是溫度接近絕對零度的冰凍狀態（由特殊的致冷器所支持）。更糟的是，也常常要用到強大的磁場，而那需要大型磁鐵。

現在，來自 National Physical Laboratory (NPL) 以及倫敦帝國學院的團隊已在一個室溫下、未施加磁場的固態裝置中展示 masing。今日的突破意味製造、運作邁射的成本能大幅減少，可能導致它們如雷射技術那樣被廣泛使用。

研究者指出，為了掃描病患，室溫邁射能用來製造更敏感的醫療儀器、為了遠端偵測爆裂物，能用來改良化學感應器；為了量子電腦，能製造出雜訊更低的讀取機器，另外為了偵測其他星球上的可能生命，它能用來製造出更好的無線電望遠鏡。

在 NPL 的研究共同作者 Dr Mark Oxborrow 表示：”半世紀以來，邁射已被遺忘，是雷射的麻煩表親。我們的設計突破將使邁射為業界與消費者所用。”

倫敦帝國學院材料系系主任以及論文共同作者 Professor Neil Alford 補充：”當雷射被發明時沒人確切知道它們將如何被使用，然而隨著科技蓬勃發展至今，雷射在我們日常生活中已相當普及。要使邁射達到這種程度，我們還有很長的路要走，但我們的突破確實意味這項技術已如字面所示「come out of the cold（雙關語，意指不再被忽視，另一意指可以在室溫下運作）」，並開始變得更有用。”

傳統的邁射技術使用硬質無機晶體，例如紅寶石，只有當紅寶石維持在非常的低溫下才有用。該團隊發現一種全然不同類型的結晶體，即摻雜五環素（pentacene）的 p-terphenyl（對三聯苯），能取代紅寶石，且能在室溫下重現相同的 masing 過程。

身為一種奇妙的轉變：五環素的摻雜反而使無色的 p-terphenyl 轉變成強眼的紅粉色（reddish pink） — 使得它看起來猶如紅寶石！

這個團隊目前面臨的雙重挑戰是使邁射能持續作用，其第一個裝置只能以脈衝模式運作，每次只有幾分之一秒。他們也要讓它能在微波頻率以外的範圍運作，而不是只有像目前這樣的窄頻，那將使這項科技更有用。

長期來說，該團隊有其他一系列目標，包括確認各種不同能在室溫下 mase 且耗能比摻雜五環素的 p-terphenyl 還要少的材料。該團隊也將聚焦在創造新設計上，那將使邁射更小、更可攜。

原始文獻:

Mark Oxborrow, Jonathan D. Breeze, Neil M. Alford
Nature, 488, 353–356, (16 August 2012)
doi: 10.1038/nature11339

資料來源:PHYSORG:MASER power comes out of the cold: Researchers demo solid-state MASER capable of operating at room temperatures[August 15, 2012]

轉載自only-perception